JP3002764B2 - 磁場環境下で使用される転がり軸受 - Google Patents

磁場環境下で使用される転がり軸受

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JP3002764B2 JP30410993A JP30410993A JP3002764B2 JP 3002764 B2 JP3002764 B2 JP 3002764B2 JP 30410993 A JP30410993 A JP 30410993A JP 30410993 A JP30410993 A JP 30410993A JP 3002764 B2 JP3002764 B2 JP 3002764B2
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賢二 山元
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、たとえば永久磁石の
吸引力によって2つの継手部材間に回転力が伝達される
磁気継手において、各継手部材を回転支持するのに使用
される転がり軸受のように、磁場環境下で使用される転
がり軸受に関する。
【0002】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】通常、転
がり軸受は、JIS SUJ2や、JIS SUS440Cなど
の軸受材によって内外の軌道輪および転動体が形成され
ているが、このような転がり軸受を磁場環境下で使用し
た場合、磁場の影響でトルクの増大や変動が顕著に発生
し、スムーズに回転しないという問題があった。
【0003】そこで、磁場環境下では、内外の軌道輪お
よび転動体をセラミックスやベリリウム銅などの非磁性
材料で形成した転がり軸受が使用されている。
【0004】しかしながら、内外の軌道輪をセラミック
スで形成する場合、大型のものや、薄肉のものを形成す
るのが困難であるとともに、形成された軌道輪が脆性を
有し、強度が不足するという問題がある。また、内外の
軌道輪および転動体をベリリウム銅で形成した軸受の場
合、負荷容量が低下するという問題があった。
【0005】この発明の目的は、上記問題を解決した磁
場環境下で使用される転がり軸受を提供することにあ
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明による磁場環境
下で使用される転がり軸受は、内外の軌道輪が鋼で形成
され、両軌道輪間に配置される転動体がセラミックスで
形成されており、内外の軌道輪のうち少なくともいずれ
か一方の軌道輪の肩部に溝が形成されているものであ
る。
【0007】
【作用】内外の軌道輪が鋼で形成され、両軌道輪間に配
置される転動体がセラミックスで形成されていると、内
外の軌道輪が磁気的に隔離されることになり、磁場の影
響によるトルクの増大および変動を抑制することができ
る。また、内外の軌道輪を一般の軸受材で形成すること
が可能になるので、大型の軌道輪や薄肉の軌道輪を簡単
に形成することができるとともに、形成された軌道輪の
強度が向上する。さらに、両軌道輪および転動体がベリ
リウム銅で形成されたものに比べて負荷容量が増大す
る。
【0008】内外の軌道輪のうち少なくともいずれか一
方の軌道輪の肩部に溝が形成されていると、この溝の部
分に磁束が集中し、鋼製の内外両輪から発生する摩耗粉
が溝内に捕集される。
【0009】
【実施例】以下、この発明の実施例を、図面を参照して
説明する。
【0010】図1および図2はこの発明による転がり軸
受を備えておりかつ真空環境で用いられる磁気継手を示
す。
【0011】図1および図2において、真空環境を形成
する垂直円筒状の密閉チャンバ(1)は、支持台(2) に支
持されている。支持台(2) は垂直円筒部(2a)と、円筒部
(2a)に一体に形成されてその上端開口を閉鎖する水平板
状部(2b)とを備えている。密閉チャンバ(1) は、支持台
(2) の板状部(2b)に、円筒部(2a)と同心となるように貫
通固定されている。
【0012】支持台(2) に第1継手部材(3) が回転自在
に支持されている。第1継手部材(3) は、密閉チャンバ
(1) の下方にこれと同心となるように配置された垂直軸
部(4) と、軸部(4) の上端に一体に形成された水平円板
部(5) と、円板部(5) の周縁部に密閉チャンバ(1) と同
心となるように一体に形成され、かつ密閉チャンバ(1)
と支持台(2) の円筒部(2a)との間に配置された垂直円筒
部(6) と、円筒部(6)の上端にこれと同心となるように
取付けられた磁石リング(7) とよりなる。軸部(4) は図
示しない適当な駆動機構、たとえば電動モータに連結さ
れている。磁石リング(7) は、周方向に並べられて相互
に固定された複数の永久磁石(8A)(8B)よりなる。これら
の永久磁石(8A)(8B)は軸方向(上下方向)の両端に磁極
を有し、同一端部の磁極が交互に逆になっている。そし
て、第1継手部材(3) の磁石リング(7) の部分が玉軸受
(9) を介して支持台(2) の円筒部(2a)に回転自在に支持
されている。
【0013】玉軸受(9) は、磁石リング(7) の周囲に嵌
め止められたJIS SUJ2、JIS SUS440Cなどの
鋼からなる内輪(11)と、支持台(2) の円筒部(2a)内に嵌
め止められたJIS SUJ2、JIS SUS440cなどの
鋼からなる外輪(12)と、内外両輪(11)(12)間に配置され
た、たとえば窒化ケイ素を主体とするセラミックスから
なる複数の玉(13)と、図示しないプラスチック製の保持
器とにより構成されている。外輪(12)の一方の肩部には
周方向に間隔をおいて複数、たとえば3つの軸方向に伸
びる溝(14)が形成されている。そして、1つの永久磁石
(8A)の上端部のN極から出発した磁束は、図2に矢印X
で示すように、これと隣り合う永久磁石(8B)の上端部の
S極で終わるようになっている。
【0014】密閉チャンバ(1) の下壁上面の中央部に上
方に突出した円柱状部(1a)が一体に形成され、密閉チャ
ンバ(1) 内においてこの円柱状部(1a)に第2継手部材(1
5)が回転自在に支持されている。第2継手部材(15)は、
円柱状部(1a)の上方において第1継手部材(3) の軸部
(4) と同心状に配置された軸部(16)と、軸部(16)の下端
に一体に形成された水平円板状部(17)と、円板状部(17)
の周囲に軸部(16)と同心となるように取付けられた磁石
リング(18)とよりなる。磁石リング(18)は、周方向に並
べられて相互に固定された複数の永久磁石(19A)(19B)よ
りなる。これらの永久磁石(19A)(19B)は軸方向(上下方
向)の両端に磁極を有し、同一端部の磁極が交互に逆に
なっている。そして、第2継手部材(15)の磁石リング(1
8)の部分が玉軸受(21)を介して密閉チャンバ(1) の円柱
状部(1a)に回転自在に支持されている。
【0015】玉軸受(21)は、円柱状部(1a)の周囲に嵌め
止められたJIS SUJ2、JIS SUS440Cなどの鋼
からなる内輪(22)と、磁石リング(18)内に嵌め止められ
たJIS SUJ2、JIS SUS440Cなどの鋼からなる
外輪(23)と、内外両輪(22)(23)間に配置された、たとえ
ば窒化ケイ素を主体とするセラミックスからなる複数の
玉(24)と、図示しないプラスチック製の保持器とにより
構成されている。内輪(22)の一方の肩部には、軸方向に
伸びる溝(25)が周方向に間隔をおいて複数、たとえば3
つ形成されている。そして、1つの永久磁石(19B) の上
端部のN極から出発した磁束は、図2に矢印Yで示すよ
うに、これと隣り合う永久磁石(19A) の上端部のS極で
終わるようになっている。
【0016】このような構成において、図示しない駆動
機構により第1継手部材(3) を回転させる。すると、第
1継手部材(3) の磁石リング(7) の永久磁石(8A)(8B)
と、第2継手部材(15)の磁石リング(18)の永久磁石(19
A)(19B)との間に吸引力が作用し、第2継手部材(15)が
第1継手部材(3) と同方向に同じ量だけ回転する。この
とき、各玉軸受(9)(21) の内外両輪(11)(12)および(22)
(23)がそれぞれ鋼で形成され、玉(13)および(24)がセラ
ミックスで形成されているので、磁場の影響によるトル
クの増大および変動を抑制することができる。また、第
1継手部材(3) を支持する玉軸受(9) の外輪(12)の溝(1
4)および第2継手部材(15)を支持する玉軸受(21)の内輪
(22)の溝(25)の部分には、それぞれ磁束が集中するの
で、鋼製の内外両輪(11)(12)および(22)(23)から発生す
る摩耗粉が吸引力により溝(14)(25)内に捕集され、この
摩耗粉が軌道に噛み込むことが防止されて回転がスムー
ズに行われる。
【0017】次に、この発明による転がり軸受の性能を
評価するために行った実験について説明する。
【0018】まず、内外両輪および玉がJIS SUJ2で
形成された玉軸受(軸受A)、内外両輪および玉が窒化
ケイ素を主体とするセラミックスで形成された総セラミ
ックス玉軸受(軸受B)、ならびに内外両輪がJIS SU
J2で形成されるとともに玉が窒化ケイ素を主体とする
セラミックスで形成された玉軸受(軸受C)を用意し
た。また、図3に示すように、横長直方体状で両端部に
磁極を有するとともに、軸受A〜Cの外輪の外周面にそ
れぞれ接触する2つの面(31a)(31b)を備えた凹所(31)を
有する永久磁石からなる支持ブロック(30)を用意した。
そして、各軸受A〜Cの内輪に鋼製軸を嵌めるととも
に、各軸受A〜Cをその下部が凹所(31)内に入り込むよ
うに支持ブロック(30)上に載せて外輪の外周面を凹所(3
1)の2つの面(31a)(31b)にそれぞれ接触させ、この状態
で各軸受A〜Cを1rpmの回転速度で約1回転させた
さいのトルクを測定した。その結果を図4に示す。ま
た、永久磁石からなる支持ブロック(30)と同形状の鋼製
ブロックを用意し、この鋼製ブロックを使用して上記と
同様にトルクを測定した。その結果も図4に示す。図4
に示す結果から次のことが分かる。軸受Aでは磁場によ
るトルクの上昇および変動が顕著に表れた。トルクの変
動が顕著になった理由は、外輪と玉と内輪とが図5に示
す状態となったときに、同図に破線で示すように磁路が
形成され、このときに特にトルクが大きくなるからであ
ると考えられる。軸受Bでは磁場による影響を受けず、
トルクの上昇および変動は表れなかった。軸受Cでは磁
場によるトルクの上昇がわずかに表れたが、トルクの変
動は表れなかった。トルクの上昇がわずかに表れた理由
は、内外両輪間に磁場によりラジアル負荷が発生したた
めであると考えられる。
【0019】次に、第1継手部材(3) を支持する玉軸受
(9) の外輪(12)の溝(14)、および第2継手部材(15)を支
持する玉軸受(21)の内輪(22)の溝(25)の効果を調べるた
めに行った実験について説明する。
【0020】JIS SUJ2で形成された玉軸受用内輪(4
0)を用意した。この内輪(40)の外径は42mm、軌道径
は37mm、軌道みぞ深さは5mm、幅は16mmであ
る。この内輪(40)を、図3に示す支持ブロック(30)上
に、その下部が凹所(31)内に入り込むように載せ、内輪
(40)の外周面を凹所(31)の2つの面(31a)(31b)にそれぞ
れ接触させた。そして、図6に示すように、内輪(40)の
上端における軌道みぞの底面部分a、一方の肩部の周面
部分b、一方の肩部の内側面部分c、一方の肩部の外側
面部分d、他方の肩部の周面部分e、他方の肩部の内側
面部分f、および他方の肩部の外側面部分gの磁束密度
をそれぞれ測定した。なお、支持ブロック(30)の凹所(3
1)のN極側の面(31a) およびS極側の面(31b) の磁束密
度はそれぞれ500ガウスである。その結果、これらの
部分a〜gの磁束密度は、それぞれ3ガウス、14ガウ
ス、7ガウス、7ガウス、14ガウス、10ガウス、お
よび10ガウスであった。また、上記内輪(40)の代わり
に、一方の肩部に軸線方向に伸びる溝(51)を形成した内
輪(50)を用意し、この内輪(50)を、図3に示す支持ブロ
ック(30)上に、その下部が凹所(31)内に入り込むととも
に溝(51)が上端に来るように載せ、内輪(50)の外周面を
凹所(31)の2つの面(31a)(31b)にそれぞれ接触させた。
そして、図7に示すように、内輪(50)の頂部における軌
道みぞの底面部分hおよび肩部の周面における溝(51)の
開口に相当する部分iの磁束密度をそれぞれ測定した。
その結果、両部分h、iの磁束密度は、それぞれ5ガウ
スおよび110ガウスであった。これらの結果から、肩
部に溝を形成した場合には、溝の部分に磁束が集中する
ことが分かる。
【0021】
【発明の効果】この発明の転がり軸受によれば、上述の
ように、磁場の影響によるトルクの増大および変動を抑
制することができるので、磁場環境下で使用した場合も
回転がスムーズになる。また、大型の軌道輪や薄肉の軌
道輪を簡単に形成することができるのでコストが安くな
るとともに、形成された軌道輪の強度が向上する。ま
た、両軌道輪および転動体がベリリウム銅で形成された
ものに比べて負荷容量が増大する。
【0022】さらに、内外の軌道輪のうち少なくともい
ずれか一方の軌道輪の肩部に溝が形成されていると、こ
の溝の部分に磁束が集中し、鋼製の内外両輪から発生す
る摩耗粉が溝内に捕集される。したがって、摩耗粉が軌
道に噛み込むことが防止され、磁場環境下で使用した場
合に回転がスムーズになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による転がり軸受を備えておりかつ真
空環境で用いられる磁気継手を示す垂直縦断面図であ
る。
【図2】一部を切り欠いて示す図1のII−II線断面図で
ある。
【図3】この発明による転がり軸受の性能を評価するた
めに行った実験の方法を示す正面図である。
【図4】実験結果を示すグラフである。
【図5】内外両輪および玉がJIS SUJ2で形成されて
いる玉軸受の性能が劣る原因を示す図である。
【図6】玉軸受の内輪に形成された溝の効果を確かめる
ために行った2種類の実験のうち肩部に溝が形成されて
いない内輪の磁束密度の測定箇所を示す断面図である。
【図7】玉軸受の内輪に形成された溝の効果を確かめる
ために行った2種類の実験のうち肩部に溝が形成されて
いる内輪の磁束密度の測定箇所を示す断面図である。
【符号の説明】
(9) 玉軸受 (11) 内輪 (12) 外輪 (13) 玉 (21) 玉軸受 (22) 内輪 (23) 外輪 (24) 玉
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI // C10N 40:02 50:08 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16C 33/32 F16C 33/58 F16C 33/62

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内外の軌道輪が鋼で形成され、両軌道輪
    間に配置される転動体がセラミックスで形成されてお
    り、内外の軌道輪のうち少なくともいずれか一方の軌道
    輪の肩部に溝が形成されている磁場環境下で使用される
    転がり軸受。
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